Titulación:
Ingeniería industrial, especialidad mecánica.
Alumno:
Marc Font Jaumandreu
Título PFC:
Estudio de la relación del conjunto neumático-llanta de un automóvil, con el consumo energético y la seguridad vial.
Director PFC:
José Antonio Ortiz Marzo
Convocatoria de entrega: Setiembre de 2014
3
CONTENIDO
1 OBJETO ... 9 2 JUSTIFICACIÓN ... 10 3 ALCANCE ... 13 4 LA RUEDA ... 14 4.1 Aproximación histórica ... 14 4.2 Elementos de la rueda ... 15 5 EL NEUMÁTICO ... 16 5.1 Introducción ... 16 5.2 Fabricación de neumáticos ... 17 5.2.1 Confección... 17 5.2.2 Conformación ... 18 5.2.3 Cocción ... 185.3 Descripción interna del neumático ... 18
5.4 Tipos de neumático según estructura ... 20
5.4.1 Neumáticos diagonales ... 20
5.4.2 Neumáticos radiales ... 21
5.5 Neumáticos con cámara y sin cámara (tubeless) ... 22
5.6 Banda de rodadura ... 24
5.7 Los flancos ... 27
5.8 Denominación y marcado de los neumáticos ... 27
5.8.1 Denominación de los neumáticos ... 27
5.8.2 Identificación y unidades de medición ... 29
5.8.3 Etiquetado europeo ... 33
6 LA LLANTA ... 35
6.1 Introducción ... 35
6.2 Elementos de la llanta ... 35
6.3 Nomenclatura de la llanta ... 38
6.4 Tipos de llanta (aleaciones)... 40
6.4.1 Aleación de acero ... 41
6.4.2 Aleación de aluminio ... 41
4
7 ESTUDIO DE SEGURIDAD Y CONSUMO DE CARBURANTE ... 49
7.1 Selección de neumáticos ... 49
7.1.1 Circulación con nieve o barro ... 50
7.1.2 Condiciones de circulación ... 50
7.1.3 Estación invernal ... 51
7.2 Defectos en los neumáticos y sus efectos. ... 52
7.2.1 Baja presión ... 52
7.2.2 Alta presión ... 59
7.2.3 Alineación geométrica ... 61
7.2.4 Equilibrado de las ruedas ... 66
7.3 Defectos de los neumáticos ... 68
7.3.1 Desgaste anormal de la banda de rodadura ... 69
7.3.2 Daños en los flancos ... 70
7.3.3 Despegues ... 71
7.3.4 Roturas ... 72
7.3.5 Defectos en el talón ... 73
7.3.6 Cuadro práctico ... 74
8 ESTUDIO SOBRE UN CASO REAL DE SEGURIDAD Y CONSUMO ... 75
8.1 Estudio de fuerzas ... 75
8.1.1 Limite de adherencia ... 78
8.1.2 Líneas de resistencia intrínseca del movimiento ... 79
8.1.3 Estudio de la frenada ... 81
8.2 Frenada para diferentes condiciones de los neumáticos ... 86
8.2.1 Frenada en función del tipo de terreno ... 86
8.2.2 Frenada en función de la variación de presión del neumático ... 93
8.2.3 Frenada en función de la carga del neumático ... 96
9 SELECCIÓN DE LOS NEUMÁTICOS EN BASE AL ETIQUETADO EUROPEO ... 100
9.1 Una nueva legislación ... 100
9.2 Los tres criterios seleccionados ... 100
9.3 Ejemplos de etiquetas ... 102
9.4 Durabilidad ... 103
5
10 CONCLUSIONES ... 106 11 BIBLIOGRAFIA ... 108
6
TABLA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 4.1. Evolución de las ruedas. ... 14
Ilustración 5.1. Estructura de un neumático. ... 17
Ilustración 5.2. Partes de un neumático. ... 19
Ilustración 5.3. Estructura diagonal. ... 21
Ilustración 5.4. Estructura radial. ... 22
Ilustración 5.5. Tipos de alojamiento del neumático en la llanta. ... 23
Ilustración 5.6. Ángulos de apoyo en neumáticos tubulares. ... 24
Ilustración 5.7. Principales disposiciones de las bandas de rodadura. ... 25
Ilustración 5.8. Dimensiones principales.4 ... 28
Ilustración 5.9. Nomenclatura. ... 29
Ilustración 5.10. Distintos perfiles. ... 30
Ilustración 5.11. Ejemplo etiquetado europeo. ... 34
Ilustración 6.1. Elementos de la llanta. ... 35
Ilustración 6.2. La llanta. ... 36
Ilustración 6.3. Sección interna de la llanta. ... 37
Ilustración 6.4. Perfiles de llantas más comunes. ... 37
Ilustración 6.5. Llantas desmontables. ... 38
Ilustración 6.6. Sección de la llanta. ... 39
Ilustración 6.7. Compensación de la llanta. ... 39
Ilustración 6.8. Apertura de la llanta. ... 40
Ilustración 6.9. Micro estructura del cubo de la llanta. ... 42
Ilustración 6.10. Rotura dúctil en el cubo de la llanta. ... 44
Ilustración 7.1. Documentación vehículo. ... 50
Ilustración 7.2. Distancia de frenado con neumáticos de invierno. ... 52
Ilustración 7.3. Neumático a baja presión, aplastamiento. ... 53
Ilustración 7.4. Baja presión frente presión correcta. ... 58
Ilustración 7.5. Neumático con picaduras. ... 58
Ilustración 7.6. Desgaste irregular por baja presión. ... 59
Ilustración 7.7. Presión alta respeto a presión correcta. ... 59
Ilustración 7.8. Desgaste irregular por alta presión. ... 60
Ilustración 7.9. Camber de la ruedas. ... 62
Ilustración 7.10. Desgaste debido a un mal camber. ... 63
Ilustración 7.11. Caster positivo, negativo y cero. ... 64
Ilustración 7.12. Convergencia y divergencia. ... 65
Ilustración 7.13. Desgaste por convergencia. ... 66
Ilustración 7.14. Desequilibrio de las ruedas. ... 67
Ilustración 7.15. Situación de contrapesos durante un equilibrado. ... 68
Ilustración 7.16. Graining ... 69
Ilustración 7.17. Grietas en los neumáticos. ... 70
Ilustración 7.18. Abombamientos en los neumáticos. ... 70
7
Ilustración 7.20. Despegue en el talón... 71
Ilustración 7.21. Despegue del hombro. ... 72
Ilustración 7.22. Rozamiento por baja presión. ... 73
Ilustración 7.23. Talón deformado. ... 73
Ilustración 7.24. Resumen defectologias en los neumáticos. ... 74
Ilustración 8.1. Fuerzas sobre un vehículo en movimiento. ... 75
Ilustración 8.2. Inspección técnica del vehículo. ... 76
Ilustración 8.3. Datos inspección técnica. ... 77
Ilustración 8.4. Dimensiones del vehículo. ... 77
Ilustración 9.1. Objetivos nueva legislación. ... 100
Ilustración 9.2. Etiquetado europeo. ... 101
TABLA DE GRÁFICOS Y TABLAS Tabla 5.1. Relación nominal de aspecto. ... 30
Tabla 5.2. Nomenclatura según estructura. ... 31
Tabla 5.3. Carga máxima por tipo de neumático. ... 32
Tabla 5.4. Índice de velocidad máxima.6 ... 32
Tabla 5.5. Marcaje para condiciones adversas. ... 33
Tabla 6.1. Diagrama equilibrio AL-SI. ... 42
Tabla 6.2. Resultados a tracción a baja velocidad. ... 43
Tabla 6.3. Resultados a tracción dinámica. ... 44
Tabla 6.4. Estados de fluencia vs tiempo. ... 46
Tabla 6.5. Composición de la Aleación de Mg AZ91D. ... 47
Tabla 7.1. Rodadura en función de la presión de inflado y tipo de terreno. ... 54
Tabla 7.2. Aplastamiento en función de la carga, la cubierta y la presión. ... 54
Tabla 7.3. Ecuación empírica para la obtención de la rodadura. ... 55
Tabla 7.4. Cálculo de la rodadura en función de la presión y la velocidad. ... 56
Tabla 7.5. Relación aumento de carburante - bajada de presión. ... 57
Tabla 7.6. Rendimiento de los neumáticos. ... 61
Tabla 7.7. Resumen del capítulo. ... 68
Tabla 8.1. Distribución de masas. ... 78
Tabla 8.2. Distribución de frenado. ... 78
Tabla 8.3. Limite de adherencia por superficies. ... 79
Tabla 8.4. Resistencia intrínseca vs velocidad. ... 81
Tabla 8.5. Estudio bloqueo de los frenos. ... 83
Tabla 8.6. Distancias de frenada en función de la velocidad y la carga. ... 85
Tabla 8.7. Gráfica de distancias de frenada en función de la velocidad y la carga. ... 85
Tabla 8.8. Coeficientes de adherencia. ... 86
Tabla 8.9. Frenadas en metros a 20km/h. ... 88
Tabla 8.10. Gráfico de frenadas a 20km/h. ... 88
Tabla 8.11. Frenadas em metros a 40km/h. ... 89
8
Tabla 8.15. Frenadas en metros a 80km/h. ... 91
Tabla 8.16. Gráfico de frenadas a 80km/h. ... 91
Tabla 8.17. Frenadas en metros a 100km/h. ... 92
Tabla 8.18. Gráfico de frenadas a 100km/h. ... 92
Tabla 8.19. Ecuación empírica para la obtención de la rodadura... 93
Tabla 8.20. Resultados coeficientes de rodadura. ... 94
Tabla 8.21. Gráfica coeficiente de rodadura en función de la presión y la velocidad. ... 94
Tabla 8.22. Tabla variaciones de la distancia de frenada. ... 95
Tabla 8.23. Gráfica de frenada en función de la presión y la velocidad. ... 95
Tabla 8.24. Rodadura en función de la carga y la presión en los neumáticos. ... 96
Tabla 8.25. Valores de fr en función de la carga. ... 97
Tabla 8.26. Frenadas en función de la carga y velocidad. ... 98
Tabla 8.27. Gráfica de frenadas en función de la carga y velocidad. ... 98
Tabla 9.1. Estudio de costes según carburante y durabilidad. ... 104
9
1
OBJETO
El objeto del proyecto es estudiar el conjunto neumático-llanta de los automóviles, introducir teóricamente los componentes y hacer un estudio de seguridad y consumo energético.
10
2
JUSTIFICACIÓN
Inicialmente en la fabricación de los primeros vehículos se daba importancia a la funcionalidad del vehículo, pero no a la seguridad y la eficiencia energética. Con las mejoras tecnológicas y los avances se ha progresado para estudiar los vehículos y que cada día sean más seguros y eficientes. Pero esto no es suficiente si la gente no está concienciada en el ámbito de la educación vial. En este estudio se pretende concluir a nivel del conjunto neumático-llanta como mejorar la seguridad y el consumo energético del vehículo.
Quien más y quien menos, se ha visto implicado en algún que otro accidente de carretera, y con toda seguridad se sabe de alguien más o menos cercano, que dejó su vida en la calzada. Por esta razón se debe seguir mejorando cada día para evitar situaciones indeseables.
Dentro de los factores determinantes que se pueden integrar en la educación vial, se puede decir que el conductor, el automóvil y la carretera son un sistema que funciona conjuntamente. Si alguno de ellos falla, el riesgo de producirse un siniestro aumenta. A continuación se presentan los puntos que influyen en la seguridad:
• El conductor: distracción, cansancio, infracciones.
• El automóvil: velocidad, vida útil de mecánica y neumáticos.
• La carretera: calzada, arcén, señalización.
Los temas relacionados con la educación vial se suelen presentar como algo lejano y no se es consciente de que son íntimamente relacionados con la población. Por esta razón nace este estudio, cuyo fin es estudiar analíticamente la seguridad de los neumáticos.
Las principales expectativas de los consumidores y fabricantes de neumáticos son la durabilidad, la seguridad y el medio ambiente. A continuación se desarrollan estos puntos para justificar su importancia en el estudio:
• Seguridad
Según datos de la Dirección General de Tráfico, durante el periodo 2005-2009 se han contabilizado un total de 287.582 accidentes en carretera. El mal estado de los neumáticos ha sido participe en 961 accidentes, es decir, en un 0,33%. Otros defectos del vehículo han sido partícipes en 793 vehículos accidentados.
Del total de accidentes en el mismo periodo 11.512 son accidentes mortales, 103, es decir el 0,89% tuvieron como causa principal el estado defectuoso de los neumát en 45, es decir el 0,39%,
un accidente mortal por tener los neumáticos defectuosos, es más del doble que el que produce cualquier otro defecto del vehículo [
• Durabilidad
La durabilidad es un factor que afecta de pero también al impacto en el medio ambiente.
A nivel económico supone un ahorro directo para el consumidor, al no tener que hacer un cambio de juego de neumáticos tan frecuentemente, disminuyendo su coste por kilómetro y el número de servicios.
A nivel medio ambiental, supone un ahorro de emisiones contaminantes a la atmósfera, al reducir la cantidad de neumáticos fuera de uso que se tienen que gestionar cada año, o que se envían a vertederos en los países en los
• El medio ambiente
El sector del transporte es la principal fuente de gas
a sectores como la industria, los consumos domésticos y la agricultura. La cifra de emisiones de CO
últimos años, siendo el 73% debido al transporte por carretera. Si analizamos los datos en Europa, en España se emiten aproximadamente 110 millones de toneladas
cual nos sitúa por encima
El impacto del uso de los neumáticos sobre el medio ambiente es de importante consideración, en cuanto a
11
Del total de accidentes en el mismo periodo 11.512 son accidentes mortales, 103, es % tuvieron como causa principal el estado defectuoso de los neumát
%, la causa fueron otros defectos del vehículo. El riesgo de tener un accidente mortal por tener los neumáticos defectuosos, es más del doble que el que
quier otro defecto del vehículo [17].
La durabilidad es un factor que afecta de forma directa a la economía del consumidor pero también al impacto en el medio ambiente.
A nivel económico supone un ahorro directo para el consumidor, al no tener que hacer un cambio de juego de neumáticos tan frecuentemente, disminuyendo su coste por
metro y el número de servicios.
A nivel medio ambiental, supone un ahorro de emisiones contaminantes a la atmósfera, al reducir la cantidad de neumáticos fuera de uso que se tienen que gestionar cada año, o que se envían a vertederos en los países en los que no está regulado.
El medio ambiente
El sector del transporte es la principal fuente de gases de efecto invernadero, a sectores como la industria, los consumos domésticos y la agricultura.
La cifra de emisiones de CO2 del transporte a nivel mundial no ha parado de ascender los
, siendo el 73% debido al transporte por carretera. Si analizamos los datos ropa, en España se emiten aproximadamente 110 millones de toneladas
encima de la media.
o del uso de los neumáticos sobre el medio ambiente es de importante consideración, en cuanto a su relación con el consumo de carburante y con las
Defectos en los neumáticos 70% Otros defectos 30%
% de accidentes mortales por defectos
Del total de accidentes en el mismo periodo 11.512 son accidentes mortales, 103, es % tuvieron como causa principal el estado defectuoso de los neumáticos, y la causa fueron otros defectos del vehículo. El riesgo de tener un accidente mortal por tener los neumáticos defectuosos, es más del doble que el que
forma directa a la economía del consumidor
A nivel económico supone un ahorro directo para el consumidor, al no tener que hacer un cambio de juego de neumáticos tan frecuentemente, disminuyendo su coste por
A nivel medio ambiental, supone un ahorro de emisiones contaminantes a la atmósfera, al reducir la cantidad de neumáticos fuera de uso que se tienen que gestionar cada año,
es de efecto invernadero, superando
al no ha parado de ascender los , siendo el 73% debido al transporte por carretera. Si analizamos los datos ropa, en España se emiten aproximadamente 110 millones de toneladas de CO2, lo
o del uso de los neumáticos sobre el medio ambiente es de importante mo de carburante y con las
Defectos en
12
correspondientes emisiones de CO2. Reducir la resistencia al avance contribuye en la
eficiencia del transporte y mejorar las emisiones de CO2 [17].
Con toda esto empieza el estudio de la relación del conjunto neumático-llanta de un automóvil, con el consumo energético y la seguridad vial.
13
3
ALCANCE
En el siguiente estudio los puntos que se trabajan son los siguientes:
• Se realiza un estudio teórico de los componentes que intervienen; la rueda, la llanta y el neumático.
• Se estudia cómo afectan la variación de parámetros del neumático sobre la seguridad y el consumo.
• Se hace un análisis de los defectos en los neumáticos y se estudia cómo afectan sobre la conducción segura y eficiente.
• Se realiza un estudio de dinámica de un vehículo real.
• Se estudian de frenadas del vehículo real modificando parámetros que influyen en la seguridad de la frenada.
• Se hace un estudio de selección de los neumáticos y análisis de costes en base al etiquetado europeo.
• Se explica cómo hacer una buena elección de los neumáticos en función de las necesidades.
• Se incluye información anexa; normativa referente a los neumáticos, futuras innovaciones, plan preventivo de mantenimiento de los neumáticos, y un estudio de los defectos encontrados en las ITV en base a datos de la DGT.
14
4
LA RUEDA
4.1
Aproximación histórica
La rueda ha sido unos de los inventos que más cambios ha sufrido desde sus orígenes. El primer paso para llegar a la rueda actual fue de Charles Goodyear en 1839, cuando accidentalmente al volcar un recipiente de azufre en una sartén que contenía látex descubrió la vulcanización del caucho.
Las primeras ruedas de caucho aparecieron en 1842 obra del ingeniero Robert William Thompson, que patentó los primeros neumáticos, diseñados para las carrocerías de caballos. Más tarde, el escocés John Boyd Dunlop volvió a diseñar los neumáticos de Thompson y en 1888 presentó su versión de la rueda con cámara inflable y banda de rodadura del caucho vulcanizado.
El 28 de Mayo de 1889 los hermanos Edouard Michelin y André Michelin crearon la sociedad Michelin. Esta empresa ha sido con diferencia una de las más grandes empresas que ha revolucionado en el mundo de los neumáticos. Desde los primeros neumáticos desmontables (1891) hasta los actuales, pasando por los neumáticos radiales que fue una de las innovaciones que más importancia tuvo en la automoción. Otra de las grandes empresas que revolucionó el tema de las ruedas fue la de la Giovanni Batista Pirelli. Este inventor no sólo se dedicó al tema de las ruedas sino que hizo los cables por los telégrafos, cables para submarinos, etc... El año más importante de esta empresa fue en 1971, cuando Pirelli y Dunlop se unieron, esta unión duró hasta 1980 y dio lugar al neumático de bajo perfil y en el 1982 el neumático radial.
En resumen, se puede asegurar que el neumático conjuntamente con la rueda ha sido y es un elemento clave de la evolución del automóvil [1].
4.2
Elementos de la rueda
La rueda está formada por dos componentes principales, la llanta y el neumático. El conjunto va directamente acoplado a los ejes del vehículo, conjuntamente con el sistema de frenado. Estos elementos son el fundamento de este estudio así que son explicados al detalle en los siguientes puntos.
Rueda
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Elementos de la rueda
formada por dos componentes principales, la llanta y el neumático. El conjunto va directamente acoplado a los ejes del vehículo, conjuntamente con el sistema de frenado. Estos elementos son el fundamento de este estudio así que son
n los siguientes puntos.
Rueda
Llanta
Neumático
formada por dos componentes principales, la llanta y el neumático. El conjunto va directamente acoplado a los ejes del vehículo, conjuntamente con el sistema de frenado. Estos elementos son el fundamento de este estudio así que son
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5
EL NEUMÁTICO
5.1
Introducción
El neumático es un elemento de mucha importancia, ya que todas las cargas que actúan en el vehículo finalmente se aplican en contacto con el asfalto.
El objetivo principal del neumático es mantener el buen contacto del vehículo con el suelo, y ejercer las siguientes funciones:
• Transmitir la fuerza de frenada y tracción, de esta manera ayuda al vehículo a transmitir y absorber las fuerzas que se generan en este.
• Mantener la presión necesaria del aire para soportar el peso del vehículo, en vista de que todo neumático está diseñado para soportar determinado peso. • Proporcionar los esfuerzos laterales precisos para lograr el control y estabilidad
de la trayectoria.
• Complementar el sistema de suspensión, actuando como amortiguador de las acciones dinámicas originadas por las irregularidades de la pista.
Los neumáticos pueden considerarse elementos de gran complejidad, algunas de las características son:
• Elevada adherencia sobre pista seca o mojada, tanto longitudinal como transversal.
• Baja resistencia a la rodadura.
• Capacidad para resistir los esfuerzos dinámicos exteriores. • Resistencia a la fatiga, al desgaste, y a la formación de grietas. • Bajo nivel de generación de vibraciones y ruidos.
• Adecuada flexibilidad radial, circunferencial y transversal.
Como se puede observar el componente requiere una gran ingeniería en su desarrollo [2].
17
Ilustración 5.1. Estructura de un neumático.
5.2
Fabricación de neumáticos
Hay tres procesos básicos en la fabricación de un neumático una vez se obtienen las materias primas dispuestas: confección, conformación y cocción. Pero antes hace falta preparar y tratar los diferentes elementos que se utilizan en la fabricación. Se utiliza por supuesto caucho que puede ser sintético o natural. La proporción entre ambos cambia las propiedades de resistencia y de elasticidad.
También se utiliza el azufre que es un elemento clave en la cohesión del caucho cuando se realiza la cocción del neumático. En el proceso también interviene el negro de carbono, un producto que sirve como pigmento y como refuerzo de la goma, y el sílice. El acero es la materia utilizada para crear los hilos interiores del neumático, básicos en la adhesión de la llanta y el neumático [1].
5.2.1 Confección
La confección o el ensamblado sirven para comenzar a crear la base del neumático. Para ello se apilan en plano los distintos componentes del neumático sobre un tambor con el que empieza a tomar forma. Cada uno de los componentes debe ir en una posición específica y el orden de colocación de los mismos es vital para conseguir un buen resultado.
El primer componente que se imprime sobre el tambor para crear los neumáticos sin cámara es la goma interior. Ésta debe ser estanca al aire y al agua para que no existan filtraciones en el interior del neumático. A continuación se incorpora la lona de carcasa de forma transversal y a cada lado de la lona se colocan los aros metálicos que darán firmeza al neumático.
18
Los últimos productos que se añaden en la confección son diversas gomas de relleno o de refuerzo como la que protege los flancos. En este punto del proceso están estructurados los materiales pero el neumático todavía no tiene forma [1].
5.2.2 Conformación
A partir de este proceso empieza a moldearse el producto final que se conoce como neumático crudo. En primer lugar los componentes pasan de la forma cilíndrica a la de anillo teórico, que ya se va pareciendo a la forma habitual de un neumático.
Para llevar a cabo esta acción se somete una presión de inflado a la zona central del neumático, con lo que se hinchan y se tensan las capas de goma. Los aros creados en la conversión se acercan entre sí. A continuación la lona del cinturón de la cima y la banda de rodamiento, que todavía no tiene los dibujos habituales, se enrollan sobre el anillo. A estas alturas el neumático crudo todavía conserva unas propiedades elásticas que lo harían inútil de cara a usarse como un neumático de verdad. Se debe pasar al proceso de cocción en el molde para adquirir las características necesarias para su uso [1].
5.2.3 Cocción
La última etapa de la fabricación del neumático pasa por la colocación del neumático crudo en un moldeen el que será cocido. En el molde el agua circula por una membrana interior que se hincha y comienza a pegar el neumático a las paredes interior, donde se encuentran los dibujos y las marcas que llevará finalmente. Durante la cocción, que dura unos 10 minutos a 150°, se produce el proceso conocido como vulcanización.
La goma deja de tener un carácter plástico y deformable para adquirir la resistencia, firmeza y elasticidad necesarias, aspectos que dependen del grado de vulcanización. La base química de esta transformación se basa en la adhesión del azufre a las moléculas de caucho para que éstas no puedan separarse. Una vez cocido el neumático se separa del molde y comienza a enfriarse, tomando la forma final. El enfriamiento se produce al aire libre.
Finalmente antes de su comercialización tienen que pasar los controles de calidad [1].
5.3
Descripción interna del neumático
La cubierta, como así se denomina, es la capa protectora que rodea la cámara de aire del neumático. Esta capa está compuesta por capas alternas de caucho y tejido. La parte más externa del neumático, la que está en contacto con el suelo, tiene un sobre espesor de caucho con un relieve determinado para aumentar la adherencia del vehículo. Esta es
19
una de las capas más importantes ya que es la que está en contacto directo con el suelo y es muy determinante en el comportamiento. La siguiente figura muestra las principales partes de un neumático [5], [3].
Ilustración 5.2. Partes de un neumático.
La carcasa es la parte principal de la cubierta. Tiene que soportar los esfuerzos exteriores y la presión interior del neumático. Se compone a través de hilos de tejido de rayón o nilón, que son muy resistentes a la tracción. Las especificaciones técnicas del producto definen el tipo de hilo y grosor, para obtener una resistencia adecuada. Las capas de hilo concentrado en caucho, van adheridas al aro de acero en la zona de contacto con la llanta, formando el talón. Pueden estar en dirección diagonal o radial. La banda de rodadura es la zona que está más sometida al desgaste ya que está en contacto con el suelo todo el ciclo de vida. La misión principal es impedir la el desplazamiento entre la propia capa y el suelo, así asegurando la direccionabilidad y la tracción. En esta capa interviene el rozamiento del neumático con las condiciones de la
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calzada. Se compone de un sobre espesor de caucho al que se la hacen unas holguras para configurar el dibujo del neumático.
El cinturón se coloca en la parte superior de la carcasa durante el proceso de fabricación y su función es dar estabilidad a la banda de rodadura del neumático, lo que mejora el desgaste, el manejo y la tracción. El material más empleado para cinturones es el acero, que traen resistencia y estabilidad a la banda de rodadura sin aumentar mucho el peso del neumático.
Los hombros unen la banda de rodadura con los con los laterales del neumático. Esta zona es la de menor espesor, así que el gradiente de temperatura es muy alto, y el diseño debe estar pensado para esta circunstancia.
Los talones se construyen mediante aros de acero muy resistente a la tracción, recubierto de tejido y goma. Es el encargado de asegurar una buena unión entre la llanta y la cubierta, y mantener la forma del neumático durante la aplicación de los esfuerzos. Además los talones van rodeados por un refuerzo.
Los flancos de los neumáticos están ubicados entre los hombros y los talones, es la parte lateral del neumático. Los flancos resisten la flexión lateral y la carga vertical del vehículo, al tiempo que actúan como una suspensión del vehículo absorbiendo parte de las irregularidades del terreno.
5.4
Tipos de neumático según estructura
Dependiendo de la distribución de los hilos de tejido en la cubierta del neumático, hay dos tipos principales de estructura. Una es la estructura radial y la otra la diagonal. Hoy en día la más usada y extendida en los vehículos de pasajeros es la radial.
5.4.1 Neumáticos diagonales
La carcasa estos neumáticos está formada por varias capas de cuerdas alternas en direcciones cruzadas que se solapan una encima de la otra. Las capas de tejido forman aproximadamente un ángulo de 40 grados respeto al eje central del neumático.
21
Ilustración 5.3. Estructura diagonal.1
Durante el movimiento las capas flexionan y rozan entre ellas, eso deforma el caucho y los hilos de tejido. Se tiende a producir, además, un deslizamiento entre la banda de rodadura y la carretera, lo que da lugar a una de las causas principales de desgaste de los neumáticos. Todo ello colabora a la resistencia a la rodadura [9].
Este tipo de construcción adquiere una mayor capacidad de deformación, lo que se traduce en una mayor flexibilidad y amortiguación, y en un aumento de la motricidad en terrenos blandos: barro, arena y piedra suelta. Tiene una mayor temperatura de funcionamiento, lo que acorta su duración. La elasticidad de los flancos permite valores de deriva superiores a los de los neumáticos de estructura radial. La banda de rodadura y el flanco trabajan conjuntamente, por lo que durante la marcha los movimientos de flexión se transmiten a la banda de rodadura, lo que representa los siguientes inconvenientes:
• Deformación de la banda de rodadura en curva, lo que implica poca estabilidad lateral.
• Aumento del arrastre respeto el suelo, esto incrementa el desgaste de la banda. • Presentan mayor rigidez en el eje radial, implicando un trabajo adicional a las
suspensiones.
• La desviación a la deriva es menos progresiva.
5.4.2 Neumáticos radiales
En los neumáticos con estructura radial, las capas de la carcasa forman un ángulo de 90° respeto al eje central de la rueda, y van de talón a talón. También hay algunas capas de refuerzo aproximadamente a 20 grados en la zona del cinturón. Esta configuración
1
22
produce mayor rigidez en los flancos, lo que ofrece una deriva menor que los neumáticos de capas cruzadas.
La banda de rodadura y los flancos trabajan con una rigidez independiente y diferente, con lo que los movimientos de flexión de los flancos no se transmiten tanto a la zona de contacto con el suelo [9].
Ilustración 5.4. Estructura radial.2
Algunas de sus características:
• Aumento de la comodidad debido a la flexibilidad vertical. • Aumento de la adherencia transversal y longitudinal.
• Mejor estabilidad direccional por su mayor rigidez de deriva.
• Menor absorción de la energía, así mejora el consumo de carburante.
• Mayor resistencia al desgaste, debido a menor generación de calor durante el rodaje.
• Menor resistencia a los impactos laterales.
5.5
Neumáticos con cámara y sin cámara
(tubeless)
La cámara cumple la misión de otorgar un espacio de alta estanqueidad al aire del neumático. El uso de cámara de aire interior al neumático disminuye la exigencia de tener estanqueidad entre la llanta y la cubierta, pero a la vez tiene ciertos inconvenientes respecto a los neumáticos sin cámara de aire. Lo principal es que ante un pinchazo u otro deterioro se produce una rápida perdida de aire al interior de la cubierta, y una bajada brusca de la rigidez del neumático, esto provoca cierto peligro y inestabilidad al vehículo.
También incrementan el rozamiento interno entre la goma de la cámara y la carcasa del neumático, generando pérdidas en el comportamiento dinámico [3].
2
23
Para evitar los inconvenientes de los neumáticos con cámara se han desarrollado los llamados Tubeless (o sin cámara), su primera aparición fue el año 1956.
Los neumáticos sin cámara de aire se diferencian por las siguientes características: • El interior de la cubierta tiene una capa de gran impermeabilidad con un grosor
aproximado de 1 a 2 mm de goma.
• Las llantas necesitan un resalte interior en la zona de los asientos de los talones para asegurar la estanqueidad, este tipo de diseño es conocido como Hump.
• Van dotados de válvulas especiales acopladas directamente a la llanta.
Ilustración 5.5. Tipos de alojamiento del neumático en la llanta.3
Las llantas convencionales se diseñan sin ángulo de apoyo alguno, pero con neumáticos
tubeless estos apoyos presentan ángulos que van desde 5° para automóviles convencionales hasta 15° en vehículos de gran tonelaje. Hoy en día en los turismos prácticamente son todos sin cámara de aire [9].
3
24
Ilustración 5.6. Ángulos de apoyo en neumáticos tubulares.4
5.6
Banda de rodadura
La banda de rodadura es la capa que mantiene el neumático unido al suelo. En esta intersección es donde deben lograrse las fuerzas necesarias para proporcionar los esfuerzos longitudinales y transversales requeridos, para el control de la trayectoria del vehículo, la frenada y la tracción. Por lo tanto, debe proporcionar la máxima adherencia transversal y longitudinal en todo tipo de circunstancias, tanto en pista mojada como en seca. Es obvio que las características del neumático van a quedar condiciones por muchos factores como la estructura, los materiales empleados, la presión de hinchado, pero también quedan muy condicionadas por el dibujo de la banda, en el que se distribuyen nervios, ranuras, estrías y tacos [3].
La función principal del dibujo de un neumático es la evacuación del agua en la zona de contacto, cuando se desplaza sobre una superficie mojada o húmeda. Los neumáticos lisos ofrecen muy buena adherencia en superficies duras y secas, pero esto no quiere decir que unos neumáticos lisos debidos al desgaste tienen más adherencia en seco. Mediante esa configuración, se pierde mucha adherencia en cuanto la calzada se
4
25
humedece, formándose una cuña de agua en la parte delantera del neumático, que una vez la presión ejercida por agua sobre el neumático supera a la presión de inflado, el neumático “flota” sobre el agua, desapareciendo el contacto entre la banda de rodadura y la calzada, con la posibilidad de perder el control del vehículo. A este fenómeno se le denomina aquaplaning [11].
Con el fin de mejorar la adherencia en condiciones de lluvia o calzadas de baja adherencia, se otorgan una serie de dibujos en la banda de rodadura. Estos dibujos son distintos en función de la aplicación que se pretenda dar al neumático. Se pueden establecer tres tipos principales de dibujos, los cuales cada uno aporta características especificas [9].
• Tipo A: Acanaladuras y nervios orientados en sentido circunferencial son las más utilizadas. Ofrecen buenas prestaciones en cualquier posición de las ruedas. Se consigue una mayor adherencia transversal y menor resistencia a la rodadura. Sin embargo, ofrece poca capacidad a la tracción. Especialmente indicadas para cubiertas de ruedas direccionales no motrices.
• Tipo B: Tacos, nervios y acanaladuras en sentido transversal. Al contrario que las de sentido circunferencial, estas dan ganancias en sentido longitudinal. Las acanaladuras transversales se clavan en el asfalto para proporcionar poder de tracción y frenado. Muy útiles en ruedas motrices.
• Tipo C: Diseño específico. Se caracteriza por tener elementos orientados en ambos sentidos, con ranuras más amplias, profundas y con laterales inclinados para una mejor autolimpieza. Destinados a neumáticos para barro y nieve.
Ilustración 5.7. Principales disposiciones de las bandas de rodadura.5
5
26
Cada disposición otorga unas características diferentes, se deben combinar entre ellas para que el neumático obtenga las prestaciones de servicio requeridas.
Los dibujos de la banda de rodadura permiten desplazar el agua de la calzada en el punto de contacto, existe un límite de agua que un neumático puede evacuar en función de su forma. Este factor depende de la relación del área teórica y el área real de contacto con el suelo. En las diferentes disposiciones descritas, esta relación decrece de A a C, con unos valores aproximados de:
A= Valores entre 0,75 y 0,80 B= Valores de 0,70 a 0,75
C= Entre 0,60 a 0,65
Como menor es este parámetro más capacidad de evacuación de agua, ya que el neumático tiene más dibujo [9].
Para el diseño de bandas de rodadura se consideran diferentes parámetros, entre los que destaca para la capacidad de evacuación de agua:
=í á
Ç
Por lo general, se cumple que la capacidad para evacuar agua de una cubierta con dibujo es cuatro veces mayor que para una cubierta lisa:
4 =
Aunque la adherencia y la evacuación de agua son los principales requerimientos, la generación de ondas sonoras debido al rozamiento entre neumático y calzada, también es uno de los efectos adversos que se han de intentar disminuir en el diseño. Los dibujos de las cubiertas no se pueden repetir a intervalos iguales en su periferia, ya que pueden generar frecuencias audibles y armónicamente dependientes de la velocidad del vehículo. Para evitar este efecto, se divide la banda en segmentos, de longitud diferente, que contienen igual número de elementos de diseño. Estos segmentos se unen en la secuencia que mejor tienda a reducir los armónicos de alta intensidad [9].
Hay que destacar que el diseño de la banda de rodadura depende de un gran número de variables (estructura, materiales, dibujo, tamaño, etc.), esta complicación hace que la experiencia y los ensayos sean primordiales para la creación de un neumático con unas características específicas.
27
5.7
Los flancos
Los flancos, también llamados costados, son las paredes laterales de los neumáticos. Las principales funciones de los flancos son:
• Proteger la carcasa contra los agentes exteriores, como golpes, roces y cortes. En algunos neumáticos se incorpora un cordón de protección en su zona central. • Ser portador de los datos de identificación del neumático para su legalidad
comercial, como indica la normativa.
También, dependiendo del diseño del neumático los flancos poseen otras características importantes:
• Los neumáticos de tipo radial, en general necesitan más protección de goma por la mayor debilidad de su carcasa y su mayor deformación en servicio.
• En el diseño de la parte superior del flanco, zona denominada hombro, se ha de tener presente que la generación de calor que se produce en esta zona la convierte en una parte crítica del neumático. Así que es normal colocar en estas zonas ranuras en distintos sentidos, a modo de aletas de refrigeración para alargar la durabilidad del neumático.
5.8
Denominación y marcado de los neumáticos
La Comunidad Internacional ha creado una codificación de marcajes obligatorios en los neumáticos para poder diferenciar los distintos tipos que existen en el mercado. En el caso de la Unión Europea están basados en unas normativas específicas de marcación que se rige por la norma ECE-R30 (Economic Comission for Europe) para automóviles de turismo. La norma va marcada en los flancos del neumático y tiene que ser del todo visible para su venta [6].
Es necesario definir las características y dimensionas geométricas más comunes en relación con la cubierta, la llanta y la huella de contacto, para poder comprender y aplicar de forma efectiva la normativa vigente.
5.8.1 Denominación de los neumáticos
Como consecuencia de la gran diversidad de fabricantes i neumáticos existentes, se han determinado distintas formas para su clasificación. Los parámetros que se usan son:
• Según las condiciones de utilización: - Índice de capacidad de carga.
28 - Categoría de velocidad.
- Según terreno (asfalto, nieve, barro). • Relativos a estructura y constitución:
- Tipo de estructura (radial, diagonal). - Utilización o no de cámara.
- Indicación en el caso de contener esfuerzos. • Geométricos:
- Diámetro nominal de la llanta. - Anchura nominal de la sección.
- Coeficiente de forma o relación nominal de aspecto.
6
En lo que se refiere a las dimensiones y características geométricas, se puede observar la siguiente figura donde se indican las más usadas en relación a la llanta, cubierta y huella del neumático [9].
Como se ha indicado los principales parámetros geométricos son: • Anchura nominal de la sección del neumático en mm (bn).
6
Universidad Carlos III. Laboratorio de tecnologías (Neumáticos).
hn: Altura de la sección del neumático. bn: Anchura de la sección del neumático. Dn: Diámetro exterior del neumático. bLL: Anchura de la llanta.
DLL: Diámetro de la llanta.
le: Longitud de la huella de contacto. be: Anchura de la superficie de contacto. rest: Radio bajo carga estática.
29
• El diámetro nominal de la llanta (DLL), expresado en pulgadas o milímetros. Corresponde al diámetro que deben tener las llantas en las que el neumático puede ser instalado.
• Relación nominal de aspecto (Rna), se define como la división entre la altura y la anchura de la sección, en tanto por ciento:
= 100 ∙ ℎ
La evolución de este parámetro en el tiempo tiende a disminuir, ha pasado del 113% a principio de siglo, a 90-100% en la década de los años 40, y a 50-75% en las series rebajadas y de huella ancha de la actualidad [5].
5.8.2 Identificación y unidades de medición
En esta apartado se describen los distintos marcajes que llevan los neumáticos para cumplir la normativa [9].
Ilustración 5.9. Nomenclatura.
1. Fabricante del neumático.
Denominación comercial del fabricante y nombre del modelo del neumático. Ejemplos conocidos como Michelin, Dunlop o Pirelli.
30
Las distintas configuraciones se resumen en la tabla siguiente.
Tabla 5.1. Relación nominal de aspecto.7
3. Ancho de sección transversal en mm.
El ancho de sección transversal se especifica en mm. Suele estar entre valores de 125mm para los más estrechos hasta 335mm para los neumáticos más anchos.
La llanta del vehículo solo acepta algunas medidas establecidas, no se puede montar cualquier ancho de sección en una misma llanta. Los anchos aumentan en etapas de 10 o 5mm.
4. Relación altura del neumático ancho del neumático en %.
La relación nominal de aspecto (Rna) se define como la relación de la altura con el ancho de la sección transversal de los neumáticos en porcentaje. Un valor de 50 significa que la altura del neumático es la mitad del ancho del mismo. En la siguiente imagen adjuntamos distintos (Rna).
Ilustración 5.10. Distintos perfiles.
5. Estructura del neumático.
Indica el tipo de estructura en la que se ha fabricado el neumático. Solo pueden montarse neumáticos de un mismo tipo de estructura en un vehículo. La
7
J.Y.Wong. Theory of ground vehicles. 2001.
TIPO Rna
Super Ballon 0,95
Low Section 0,88
Super Low Section Milimétrica 0,82
Ultra Low Section 0,77
31
utilización de neumáticos diferentes, o sea diagonales y radiales en un vehículo no está autorizada por la ley. La siguiente tabla es un resumen de la simbología que podemos encontrar en los neumáticos.
Tabla 5.2. Nomenclatura según estructura.
6. Diámetro de las llantas.
El diámetro de las llantas normalmente está expresado en pulgadas, es la distancia de borde a borde más externo de la llanta. En vehículos está entre 10 y 20 pulgadas.
7. Índice de carga.
El índice de carga es al valor que representa una categoría para la que se define el valor de carga máxima que puede soportar un neumático. A cada valor se le adjudica una resistencia determinada del neumático. Los neumáticos utilizados en el vehículo deben igualar o mejorar la carga máxima indicada en la documentación. Hay una ecuación que relaciona el índice de capacidad (n) y la carga máxima (Pmax):
= 45 ∙ ( √10!" )$= 45 ∙ (1,0292)$
Por ejemplo, un índice de 90 permite una carga máxima en el neumático de 600kg. A continuación se adjunta una tabla con los valores típicos:
Tipo de estructura Símbolo
Diagonal o convencional Sin indicación
Radial R o Radial
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Tabla 5.3. Carga máxima por tipo de neumático.8
8. Índice de velocidad.
El símbolo de la velocidad es la velocidad máxima en la que un neumático puede trabajar. Va fijada por el fabricante y en función de nuestro vehículo y su potencia utilizaremos las más indicada. Se representan con letras:
Tabla 5.4. Índice de velocidad máxima.6
8
Directiva 92/23/CEE. Sobre neumáticos de vehículos a motor. Indicación (n) Carga máxima por
neumático (kg) Indicación (n)
Carga máxima por neumático (kg) 70 337 87 550 71 347 88 566 72 357 89 583 73 368 90 600 77 413 91 618 78 425 92 636 79 437 93 654 80 450 94 673 81 463 95 693 82 477 96 713 83 491 97 734 84 505 98 755 85 520 99 777 86 535 100 800
Vmax Indicación Vmax Indicación
50 km/h B 150 km/h P 60 km/h C 160 km/h Q 65 km/h D 170 km/h R 70 km/h R 180 km/h S 80 km/h F 190 km/h T 90 km/h G 200 km/h U 100 km/h J 210 km/h H 110 km/h K 240 km/h V 120 km/h M 270 km/h W 130 km/h L 300 km/h Y 140 km/h N ˃300 km/h Z
33 9. Cámara de aire en el neumático.
Los neumáticos con cámara de aire no tienen ninguna indicación al respeto. Los neumáticos sin cámara de aire contienen la indicación TUBELESS.
Cada tipo de neumático está pensado por llevar o no cámara de aire, no se puede poner cámara en un neumático tipo tubeless, y viceversa.
10. Fecha de fabricación.
La fecha de producción consta de 3 cifras. Los dos primeros dígitos se refieren a la semana de producción, la última cifra es la cifra final del año.
Un ejemplo: 256, semana 25 del año 2006.
Los neumáticos no tienen fecha de caducidad pero se recomienda un máximo de 6 años desde su fabricación, aunque no hayan entrado en funcionamiento. [7]
11. Aviso de desgaste.
En algunos puntos del neumático está grabada la abreviación "TWI" (Tread Wear Indicator). Si se sigue la flecha, se puede ver que en este sector la profundidad del perfil no es total, hay una pequeña acumulación de caucho adicional. Este punto marca el desgaste máximo admitido por la ley. Actualmente son 1,6mm mínimos de relieve de dibujo.
12. Indicación para neumáticos con resistencia mayor.
Los neumáticos con el término Reinforced son los que tienen capacidades de carga muy altas. Preparados para minibuses, todo terrenos y camionetas. 13. Condiciones de utilización.
Contienen las letras M o S en caso de barro (Mud) o nieve (Snow). También pueden tener múltiples usos.
Tabla 5.5. Marcaje para condiciones adversas.
5.8.3 Etiquetado europeo
Para poder facilitar la información del comprador, desde el Noviembre de 2012 todos los neumáticos tienen que llevar el etiquetado europeo. Este etiquetado es información sobre el agarre en mojado, el consumo de carburante y el ruido de los neumáticos. Además, los neumáticos deben llevar grabado el símbolo de control ECE, se representa como (E o e), y confirma el cumplimiento de la norma europea (ECE- R 30) [15].
Habituales Tipos de indicación
S nieve (Snow) - M barro (Mud) M, S, M+S o M&S Condiciones de utilización
34
Ilustración 5.11. Ejemplo etiquetado europeo. .
35
6
LA LLANTA
6.1
Introducción
La llanta es la parte metálica de la rueda que hace de soporte del neumático y por otro lado va acoplada al sistema de frenado y transmisión de potencia. Las principales cualidades de una llanta son:
• Soportar los esfuerzos mecánicos de torsión durante la frenada y la tracción del vehículo.
• Aguantar los esfuerzos de tracción y compresión debido al peso del vehículo. • Soportar las solicitaciones durante el paso por curva del vehículo, donde se
generan grandes torsiones.
• Disipar la temperatura de las frenadas y de las fricciones del neumático.
• Soportar las solicitaciones medioambientales debido a la humedad, y la variación del tiempo.
• Resistir a los posibles golpes durante su vida útil.
• Cubrir una función estética, muy valorada por los usuarios del vehículo. • Crear corrientes de aire para la refrigeración de los frenos.
6.2
Elementos de la llanta
Los elementos principales de la llanta son:36 1. Llanta.
2. Disco.
3. Orificio central de llanta. 4. Bombeo.
5. Orificio de fijación. 6. Ventana de ventilación. 7. Ventana de la válvula.
Se pueden distinguir clases de llantas, en el dibujo que se muestra a continuación podemos apreciar una perspectiva de una llanta comúnmente usada en los automóviles.
Ilustración 6.2. La llanta.
En la figura observamos: 1 es la pestaña que impide que el neumático se salga de la llanta, 2 es el espaldón o asiento del talón del neumático, 3 el orificio por donde asoma la válvula del neumático, 4 es la base, que tiene menor diámetro llamada base hundida, para facilitar el desmontaje y el montaje del neumático.
Según la forma del perfil, las llantas pueden ser simétricas o asimétricas, en estas últimas el disco queda algo desplazado al exterior dejando más espacio a los dispositivos de freno. A su vez, ambos tipos pueden tener resaltes periféricos en las partes interiores de los asientos, estos resaltes pueden ser redondeados, tipo Hump o aplanados tipo Flat Hump, éstas pueden llevarlos en los asientos o solamente en el asiento del lado exterior. Las llantas con resalte se utilizan especialmente con los neumáticos sin cámara, para que el talón del neumático no se desplace hacia el interior en la curvas tomadas a gran velocidad o al tomar contacto con los bordillos, ya que ello supondría la salida del aire del neumático [13].
37
Ilustración 6.3. Sección interna de la llanta.
Los tipos de perfiles más comunes, nombrados anteriormente son:
Ilustración 6.4. Perfiles de llantas más comunes.
También existen las llantas llamadas desmontables, donde las podemos clasificar en: • Llanta semihonda: Es de base menos profunda que las anteriores. Tiene una
pestaña que permite desmontar la cubierta.
• Llanta de base plana con asientos de talón inclinados: Es aquella cuya base presenta los asientos de talón inclinados según un ángulo determinado.
38
• Llanta plana: Los asientos de talón son planos y la base sensiblemente igual a la llanta anterior lleva al menos una pestaña desmontable.
• Llanta en sectores: Es aquella que se desmonta en sectores para permitir el montaje y desmontaje de la cubierta.
• Llanta en dos mitades: Es divisible en dos según su plano longitudinal, para permitir el montaje y desmontaje de la cubierta.
Con la ayuda del siguiente dibujo se explican las partes anteriormente enunciadas:
Ilustración 6.5. Llantas desmontables.
6.3
Nomenclatura de la llanta
Las dimensiones de la llanta se expresan mediante un código de cifras y letras. A continuación se muestra un ejemplo para entender mejor los conceptos [13].
1. Anchura de la llanta.
La anchura de la llanta es la distancia máxima entre extremos, las anchuras son estándares y se miden en pulgadas. Están entre los siguientes valores: 3,5, 4,0, 4,5, 5,0, 5,5, 6,0, 6,5, 7,0.
2. Diámetro de a llanta.
5.5 J 15 H2 ET 30 PCD 5X108 67,1
39
El diámetro nominal de llanta es el diámetro en pulgadas donde el neumático acopla el talón. Tanto la llanta como el neumático deben coincidir en este valor para un buen encaje. Anteriormente se ha denominado DLL. Se expresa en pulgadas y va desde 10 hasta 20 en los turismos.
El perfil de la llanta es la letra que acompaña el diámetro en pulgadas. Tubeless
(H, H2, FH, FL, LP, FP, TR, TD), o no Tubeless, llanta honda serie ancha, llanta
honda serie estándar, llanta honda pilote. El H2 del ejemplo sería Tubeless H2.
Ilustración 6.6. Sección de la llanta.
3. Compensación de la llanta
Es la distancia de la superficie de montaje a la línea central de la rueda. La compensación puede ser de 3 tipos: cero, positiva y negativa.
Ilustración 6.7. Compensación de la llanta.
4. Número de aberturas de la fijación y diámetro del círculo donde están situadas.
40
El PC indica el numero de tornillos que unen la rueda con el chasis y el diámetro del circulo en el que van situados. La rueda puede ir fijada con 3, 4, 5 o 6 tornillos. En todos los casos tienen que ser equidistantes, así se mantiene un buen equilibrio de la rueda y se eliminan vibraciones cuando giran a gran velocidad.
5. Diámetro de la apertura central.
Oscila entre 55 y 75 mm. Para entender mejor estos parámetros mostraremos el gráfico siguiente:
Ilustración 6.8. Apertura de la llanta.
6.4
Tipos de llanta (aleaciones)
Existen diferentes tipos de materiales de aleación para la fabricación de llantas. Además, hay que valorar y tener presente que no es lo mismo fabricar una llanta para un utilitario, un todoterreno, un deportivo, un camión o un automóvil de competición. Cada uso exige una resistencia y características que hacen recomendable la utilización de un material y un proceso de fabricación específico.
Así pues, los materiales de aleación para la fabricación de llantas son básicamente: • Aleación de acero
• Aluminio
• Magnesio
Aunque el aluminio suele ser el material más común en la fabricación de llantas de aleación, se estudiará en profundidad, a continuación, cada uno de los materiales anteriormente especificados [13].
1. Diámetro apertura central. 2. Diámetro apertura del perno. 3. Diámetro apertura de la
41
6.4.1 Aleación de acero
Las llantas de aleación de acero son las comúnmente conocidas como “llantas de chapa”, las cuales son ampliamente utilizadas, especialmente en vehículos de gama baja y gama media.
Este tipo de llantas, fundamentadas en acero, posee como ventajas sus buenas cualidades mecánicas y un bajo coste. Por el contrario, tienen como principal inconveniente un elevado peso debido a que deben ser muy macizas, ya que la resistencia del material no permite un diseño con radios; esto a su vez permite una peor evacuación del calor disipado en los discos de freno.
6.4.2 Aleación de aluminio
Las llantas de aluminio cada vez son más frecuentes en los vehículos, sobretodo en vehículos de características deportivas, resistiendo así las solicitaciones que requieren. Dichas llantas se elaboran a partir de lingotes de aluminio de primera fusión, donde el contenido de Fe debe mantenerse por debajo del 0,18%, ya que este elemento es una impureza perjudicial para las propiedades requeridas por esta tipología de llantas (suele apreciarse su presencia fundamentalmente en la zona eutéctica).
Generalmente, para la elaboración de llantas de aluminio se emplean aleaciones Al–Si (denominadas Siluminios), ya que el silicio colabora a que la aleación presente una buena maleabilidad, mejor fluidez y una disminución de la densidad del líquido en el proceso de fabricación. Además, para mejorar las propiedades mecánicas se añade magnesio (Mg) en cantidades comprendidas entre el 0,3 y 0,7%, permitiendo que estas aleaciones sean tratables térmicamente y se mejore su resistencia y límite elástico por formación de precipitados tipo SiMg2. Además, durante el tratamiento de solución se
produce la globalización de las placas de Silicio, produciéndose efectos beneficiosos sobre la ductilidad, la resistencia y la tenacidad. En la siguiente figura se muestra el diagrama de equilibrio del sistema Aluminio – Silicio, donde puede apreciarse cómo para aleaciones hipoeutécticas, la adición de Si disminuye el margen de solidificación [13].
42
Tabla 6.1. Diagrama equilibrio AL-SI.9
Un aspecto a tener en cuenta es la posibilidad que aparezca porosidad en la microestructura debido al proceso de solidificación al igual que segregaciones debidas a la diferencia de enfriamiento en distintas zonas de la llanta durante la fabricación. Se produce la típica estructura de solidificación con eutécticos globulares interdendríticos, con tamaño de dendrita algo mayor en las zonas correspondientes al cubo de la llanta [13].
Ilustración 6.9. Micro estructura del cubo de la llanta.
En cuanto a dureza, las diferentes zonas de esta tipología de llantas suelen mostrar, por norma general, uniformidad en valores resultado.
También es importante remarcar que las características mecánicas del material de la zona exterior de la llanta son sensiblemente mayores que las de la zona del cubo en cuanto a valores de resistencia mecánica y deformación a rotura. Se confirma así la
9
43
importancia del proceso de solidificación en el comportamiento mecánico del material y cómo las zonas más homogéneas y con menos segregaciones dan lugar a mejores propiedades mecánicas.
A continuación, se muestra una comparativa elaborada en un ensayo de tracción a baja velocidad de deformación acerca de los valores del límite elástico convencional, tensión y deformación a rotura para las distintas zonas de la llanta. Entiéndase que la zona 1 corresponde al cubo de la llanta; las zonas 2,3,4 y 5 al brazo de la llanta; y las zonas 6 y 7 a la rodadura [13].
Tabla 6.2. Resultados a tracción a baja velocidad.10
Se puede decir, así, que existe un incremento de hasta un 23% en el límite elástico al pasar de las zonas internas de la llanta al exterior. Los aumentos de rotura aún son mayores y pueden llegar al 43%. En el caso de la deformación de rotura el aumento puede alcanzar el 20%.
En otra comparativa elaborada en un ensayo a alta velocidad de deformación también se aprecia un ligero aumento del valor del límite elástico a medida que se va a zonas más alejadas del cubo de la llanta. Además, las zonas de rodadura (6 y 7) muestran una mayor similitud en los ensayos realizados, debiéndose posiblemente a una mayor estabilidad de las propiedades mecánicas en estas zonas que producen menores efectos de dispersión.
10
44
Tabla 6.3. Resultados a tracción dinámica.11
Así pues, se produce un aumento del límite elástico al realizar el ensayo a elevadas velocidades de deformación, variando entre un 2% y un 9 % dependiendo de las zonas. Se sigue obteniendo el aumento del límite elástico a medida que se mueve hacia las zonas del exterior de la llanta, concluyéndose que el efecto de fabricación también aparece en las propiedades mecánicas de la aleación a elevadas velocidades de deformación [13].
Se puede decir que en las zonas 2,3 y 4 el aumento del límite elástico es muy pequeño debido a los efectos de dispersión.
En cuanto a superficies de fractura, los micromecanismos de rotura son dúctiles en todas las zonas, asociados a fenómenos de nucleación crecimiento y coalescencia de microvacíos. El proceso de fractura en este tipo de llantas está acompañado de una importante absorción de energía.
Ilustración 6.10. Rotura dúctil en el cubo de la llanta.
11
45
Como conclusión, se puede decir que el protagonismo creciente que están tomando las llantas de aluminio en las últimas décadas se debe en parte gracias a sus buenas propiedades específicas. Además, permiten diseños muy variados debido a la mayor resistencia del material y su peso más ligero, logrando también una mejor evacuación del calor disipado en los discos de freno. Por el contrario, poseen como inconveniente un precio más elevado que las llantas de aleación de acero.
6.4.3 Aleación de magnesio
Las llantas de magnesio se utilizan en campos de altos requerimientos, principalmente en el aeronáutico, en la aviación militar y en la alta competición (Fórmula 1, Nascar, rallyes, etc.), aunque ya existen llantas de magnesio disponibles para el mercado de consumo. Además, actualmente diversos grupos automovilísticos como Volkswagen están desarrollando nuevas aleaciones de magnesio con el fin de fabricar el mayor número posible de piezas de un vehículo con este material, reduciendo así el peso total. El magnesio es el material ideal para aplicaciones donde la ligereza del componente sea prioritaria, ya que tiene la densidad más baja de todos los metales estructurales. La estructura del magnesio es HCP. Como es casi tan ligero como el plástico, el magnesio ofrece la ventaja de una mayor resistencia y rigidez, junto con una durabilidad, disipación de calor y plena capacidad de reciclaje inherentes.
Hay que tomar precauciones especiales al realizar el mecanizado debido a las limitaciones de fluencia de las aleaciones de magnesio. Es importante tener en consideración los efectos causados por el medio ambiente y conocer que con el transcurso del tiempo y/o a temperaturas elevadas se produce un cambio en la estructura metalúrgica de la aleación que afecta a sus propiedades mecánicas. Este efecto de envejecimiento surge del hecho de que las piezas fundidas se producen en condiciones de solidificación rápida que no permiten que la aleación alcance el equilibrio (de hecho, las reacciones entre los componentes de la aleación no se han completado). La mejor aleación para una aplicación específica de alta temperatura no puede seleccionarse en base a la resistencia de corto plazo en condiciones normales de funcionamiento [13].
Como la fluencia es un aspecto importante a tomar en consideración en las piezas de magnesio para uso a altas temperaturas, deben conocerse los esfuerzos y los tiempos de funcionamiento tanto para las condiciones extremas como las normales. Por lo tanto, los límites de esfuerzo, tiempo, y deformación permisible durante el funcionamiento, a una temperatura dada, determinan la mejor aleación para cada aplicación.
46
Estas aleaciones presentan una excelente capacidad de amortiguación y atenuación de vibraciones en comparación con las aleaciones de aluminio anteriores para piezas fundidas a presión [13].
Entrando más en detalle acerca de la fluencia (alargamiento bajo carga), se puede definir ésta como el esfuerzo, dependiente del tiempo, que se produce bajo una carga dada. Por lo general, hay tres etapas bien definidas de fluencia:
• Primaria: El esfuerzo de fluencia que se produce a velocidad de fluencia en disminución.
• Secundaria: El esfuerzo de fluencia que presenta una velocidad mínima y casi constante.
• Terciaria: El esfuerzo de fluencia que presenta una alta velocidad que, por lo general, conlleva a la ruptura.
Tabla 6.4. Estados de fluencia vs tiempo.12
La fluencia de la aleación de magnesio para piezas fundidas a presión más comúnmente utilizada es la AZ91. A temperatura ambiente y a bajos esfuerzos se describe bien mediante la relación:
( = ) ∙ *$
Donde ε es la velocidad de fluencia en estado estable, A es una constante, y el exponente de esfuerzo n es igual a 4,6. La AZ91 se utiliza poco a altas temperaturas
12
47
debido a que pierde mucha de su resistencia por encima de aproximadamente 120°C (250°F).
Los esfuerzos para mejorar la resistencia a la fluencia de las aleaciones de magnesio para fundición a presión, a temperaturas mayores de 120°C han tenido como resultado la introducción de aleaciones que contienen silicio o metales de tierras raras.
Así pues, la aleación AZ91D (normativa americana) o UNE 38-513-75 es la aleación de magnesio para piezas fundidas a presión más ampliamente utilizada. Esta aleación de alta pureza tiene una excelente combinación de propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y colabilidad. La resistencia a la corrosión se logra mediante el cumplimiento de límites muy estrictos con relación a tres impurezas metálicas: hierro, cobre y níquel. Éstos están limitados a niveles muy bajos lo que hace necesario que se utilice magnesio primario en la producción de esta aleación.
Tabla 6.5. Composición de la Aleación de Mg AZ91D.
*A – Si no se consigue el límite mínimo de manganeso o el límite máximo de hierro, entonces el ratio hierro/manganeso no deberá exceder 0,032 [13].
En el caso que se excedieran los límites de impurezas, las consecuencias son las siguientes:
• La resistencia a la corrosión decrece cuando crece el contenido de Fe, Cu o Ni. • Un contenido superior al 0,5 % de Si disminuye la elongación.
